2025年大學(xué)《空間科學(xué)與技術(shù)》專業(yè)題庫——太空飛行器通信信號解調(diào)算法考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每題2分，共20分。請將正確選項的字母填在括號內(nèi)）1.在模擬信號解調(diào)中，能夠充分利用信號帶寬資源且抗噪聲性能較好的方法是（）。A.包絡(luò)檢波B.?鑒頻器C.相干解調(diào)D.非相干解調(diào)2.對于二進(jìn)制相移鍵控(BPSK)信號，在加性高斯白噪聲(AWGN)信道下，采用相干解調(diào)時，其誤比特率表達(dá)式中的關(guān)鍵因子是（）。A.信號功率與噪聲功率之比(SNR)B.信號帶寬C.信號頻率D.傳輸距離3.在QPSK調(diào)制系統(tǒng)中，為了恢復(fù)原始基帶信號，接收端解調(diào)器通常需要使用（）。A.單個低通濾波器B.兩個正交的相干解調(diào)器C.單個包絡(luò)檢波器D.?鑒頻器4.當(dāng)信道存在嚴(yán)重的線性失真（如多徑衰落）時，對基帶數(shù)字信號（如FSK）的解調(diào)性能影響最大的是（）。A.噪聲干擾B.信號頻率偏移C.信道相位噪聲D.信號碼間串?dāng)_(ISI)5.自適應(yīng)均衡器的主要目的是（）。A.提高接收機的信噪比B.濾除帶外噪聲C.抑制碼間串?dāng)_，補償信道失真D.降低發(fā)射機功率6.在深空通信中，由于傳輸時延巨大，信道的（）特性對相干解調(diào)的同步捕獲和跟蹤構(gòu)成主要挑戰(zhàn)。A.帶寬B.時延C.相位噪聲D.多普勒頻移7.相對于非相干解調(diào)，相干解調(diào)的主要優(yōu)點是（）。A.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更簡單B.對本地載波相位誤差不敏感C.總誤比特率通常更低D.抗干擾能力更強8.對于高階QAM（如16QAM）信號，在相同的信噪比條件下，其誤比特率通常比BPSK信號（）。A.更高B.更低C.相同D.無法比較9.在空間通信中，若采用擴頻通信技術(shù)進(jìn)行信號解調(diào)，其主要目的是（）。A.提高數(shù)據(jù)傳輸速率B.增強系統(tǒng)抗干擾和抗多徑能力C.減少發(fā)射功率D.實現(xiàn)碼分多址(CDMA)10.利用匹配濾波器進(jìn)行信號解調(diào)，其核心優(yōu)勢在于能夠（）。A.最大程度地降低噪聲影響B(tài).實現(xiàn)最大的頻譜利用率C.簡化接收機結(jié)構(gòu)D.消除碼間串?dāng)_二、填空題（每空2分，共20分。請將答案填在橫線上）1.數(shù)字解調(diào)的基本依據(jù)是接收信號與發(fā)送信號的________關(guān)系。2.在FSK信號的非相干解調(diào)中，通常使用________檢波器來檢測兩個頻率分量。3.衡量數(shù)字通信系統(tǒng)解調(diào)性能最常用的指標(biāo)是________。4.對于PSK信號，其相位變化通常代表________。5.為了克服長距離傳輸帶來的信道失真，在空間通信中常采用________技術(shù)。6.自適應(yīng)濾波算法能夠根據(jù)信道特性的變化，實時調(diào)整濾波器系數(shù)以________。7.基帶信號通過帶限信道傳輸時，由于帶寬限制，會導(dǎo)致前后符號間相互干擾，這種現(xiàn)象稱為________。8.在AWGN信道下，對于給定帶寬，采用QAM調(diào)制方式可以在單位帶寬內(nèi)傳輸更多的________。9.RAKE接收機主要用于利用________信號的多徑分量來提高接收信號強度。10.解調(diào)算法的選擇需要綜合考慮________、誤比特率性能、復(fù)雜度以及實現(xiàn)成本等因素。三、簡答題（每題5分，共15分。請簡要回答下列問題）1.簡述相干解調(diào)與非相干解調(diào)的主要區(qū)別。2.說明自適應(yīng)均衡器在空間通信中解決信道失真問題的基本原理。3.列舉至少三種不同的數(shù)字解調(diào)算法，并簡要說明其基本工作思想。四、計算題（每題10分，共20分。請列出必要的公式和計算步驟）1.已知某BPSK信號在AWGN信道中傳輸，發(fā)送比特'1'和'0'的概率相等。采用相干解調(diào)，接收端帶通濾波器輸出信號的功率為Ps=1W，噪聲功率譜密度為No=10^-10W/Hz。求該系統(tǒng)的誤比特率(BER)。2.設(shè)有一個16QAM系統(tǒng)，在AWGN信道中傳輸。假設(shè)每個符號獨立錯誤，且所有16個符號等概率出現(xiàn)。已知該系統(tǒng)總的誤比特率約為2*BER_symbol。若采用相干解調(diào)，求在信噪比(SNR=Ps/NoB，其中B為符號速率)為20dB時的總誤比特率近似值。（注：無需精確計算每個符號的BER，可直接利用16QAM的總BER估算公式或近似關(guān)系）。五、分析題（每題10分，共20分。請根據(jù)要求進(jìn)行分析和論述）1.假設(shè)需要為一次深空探測任務(wù)設(shè)計通信鏈路，距離地球約1億公里，信道信噪比較低，且存在明顯的多徑效應(yīng)。請分析在這種情況下，選擇BPSK還是QPSK解調(diào)方案可能更優(yōu)？并說明理由。2.簡要分析影響空間飛行器通信信號解調(diào)算法選擇的主要因素有哪些？并舉例說明不同因素如何影響算法的選擇。---試卷答案一、選擇題1.C2.A3.B4.D5.C6.B7.C8.A9.B10.A二、填空題1.相位2.雙邊帶抑制載波(DSB-SC)或包絡(luò)3.誤比特率(BER)4.信息比特5.均衡6.最大程度地匹配信道響應(yīng)或提高接收性能7.碼間串?dāng)_(ISI)8.信息量或數(shù)據(jù)速率9.多徑10.信噪比(SNR)三、簡答題1.解析思路：相干解調(diào)需要精確的本地載波信號（相位和頻率都同步），利用與接收信號載波同頻同相的載波進(jìn)行解調(diào)，理論上性能最優(yōu)。非相干解調(diào)不需要精確的載波相位同步，通常使用包絡(luò)檢波或鑒頻器等，結(jié)構(gòu)相對簡單，但對噪聲更敏感，性能通常略差于相干解調(diào)。2.解析思路：自適應(yīng)均衡器通過內(nèi)置的濾波器（通常是抽頭延遲線）來估計信道響應(yīng)。它利用接收到的信號本身（包括已知的訓(xùn)練序列或數(shù)據(jù)序列）和誤差信號（判決輸出與實際接收信號的比較）來調(diào)整濾波器各抽頭的系數(shù)。目的是使濾波器的輸出盡可能接近理想信道響應(yīng)后的信號，從而補償信道引起的失真（如延遲、衰減、群延遲失真等），減小ISI，提高符號判決的準(zhǔn)確性。3.解析思路：列舉不同算法并說明原理即可。例如：*ASK(AmplitudeShiftKeying):通過改變載波信號的幅度來表示'0'和'1'。解調(diào)通常使用包絡(luò)檢波器檢測信號包絡(luò)的變化。*FSK(FrequencyShiftKeying):通過改變載波信號的頻率來表示'0'和'1'。解調(diào)可以使用鑒頻器檢測頻率變化，或使用FSK專用接收機（如頻率計）測量瞬時頻率。*PSK(PhaseShiftKeying):通過改變載波信號的相位來表示'0'和'1'。解調(diào)需要相干解調(diào)器，通過比較接收信號相位與本地參考相位來判決信息。四、計算題1.解析思路與步驟：*公式：BPSK在AWGN信道下，采用相干解調(diào)的誤比特率公式為P_error=Q(√(2*SNR))，其中SNR=Ps/No，Q(x)是標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布的Q函數(shù)，Q(x)=(1/√(2π))*∫[x,+∞]e^(-t2/2)dt。*計算SNR：Ps=1W,No=10^-10W/Hz。假設(shè)帶寬B與信號功率Ps無關(guān)（或B已知，此處未給，但公式本身已包含SNR），則SNR=Ps/No=1/(10^-10)=10^10。*代入公式：P_error=Q(√(2*10^10))。*近似計算：√(2*10^10)≈1.414*10^5。查找Q函數(shù)表或使用計算器，Q(1.414e5)非常非常小，趨近于0。*結(jié)果：P_error≈0。2.解析思路與步驟：*公式：16QAM在AWGN信道下，采用相干解調(diào)的總誤比特率近似表達(dá)式為P_error≈2*(4/3)^m*Q(√(10*SNR/3))，其中m是調(diào)制的階數(shù)（16QAM,m=4），SNR是每比特的等效信噪比。*轉(zhuǎn)換SNR：題目給出SNR=Ps/NoB。對于M進(jìn)制QAM，每比特所需的信噪比近似為SNR_b=(M^2/2)*(SNR_symbol)。對于16QAM,M=4,所以SNR_b≈(4^2/2)*SNR_symbol=8*SNR_symbol。題目SNR=20dB，即SNR_symbol=20dB。所以SNR_b≈8*10^(20/10)=8*10^2=800。*代入公式：P_error≈2*(4/3)^4*Q(√(10*800/3))。*計算Q函數(shù)參數(shù)：√(10*800/3)=√(8000/3)≈√2666.67≈51.64。*計算Q函數(shù)：Q(51.64)非常非常小，趨近于0。*計算(4/3)^4=(256/81)。*結(jié)果：P_error≈2*(256/81)*0≈0。**注：*這里計算結(jié)果為0是因為Q函數(shù)值極其微小，實際中會有非零值，但題目要求近似值，且計算過程展示了方法。更準(zhǔn)確的近似為P_error≈2*(4/3)^4*Q(√(10*SNR/3))≈2*(256/81)*Q(√(8000/3))≈6.35*Q(51.64)，由于Q(51.64)≈0，故P_error非常小。如果題目允許更粗略估計，可認(rèn)為P_error<2*(4/3)^4。五、分析題1.解析思路：*深空探測信道特點：1億公里距離導(dǎo)致極大時延和帶寬衰減；信噪比低；存在多徑效應(yīng)（來自地球、月球、太陽反射等）；可能存在突發(fā)干擾。*BPSKvsQPSK：*BPSK：簡單，抗噪聲性能最好（在相同SNR下錯誤比特最少）。但帶寬效率低（每比特需1bit/s/Hz）。*QPSK：帶寬效率高（每比特需0.5bit/s/Hz）。但在相同SNR下，誤比特率大約是BPSK的2倍。對噪聲更敏感。*分析：在信噪比較低且需要傳輸大量數(shù)據(jù)（高帶寬效率）的場景下，QPSK提供了更高的數(shù)據(jù)速率。然而，極低的信噪比可能導(dǎo)致QPSK的BER過高，甚至高于BPSK的可接受水平。多徑效應(yīng)雖然對相干解調(diào)系統(tǒng)都有影響，但可以通過均衡技術(shù)緩解?？紤]到深空通信對可靠性的基本要求，如果信噪比確實非常低，選擇BPSK可能更穩(wěn)妥，保證基本的可靠通信。但如果數(shù)據(jù)速率要求高，且可以通過先進(jìn)的均衡和信道編碼技術(shù)來對抗低信噪比和多徑，QPSK可能是更優(yōu)的選擇。因此，選擇哪個取決于對“更優(yōu)”的定義（是絕對可靠性還是最高速率）以及可用的信號處理資源。*結(jié)論：在極端低SNR下，BPSK可能在可靠性上略優(yōu)。但在追求速率、允許一定錯誤率的情況下，QPSK更優(yōu)。實際選擇需權(quán)衡速率、可靠性和實現(xiàn)復(fù)雜度。2.解析思路：*影響因素分析：*信噪比(SNR)：這是最重要的因素。低SNR場景通常傾向于選擇抗噪聲性能好的解調(diào)器（如相干解調(diào)、BPSK）。高SNR時，可以選用帶寬效率更高的調(diào)制方式（如QAM）及其相應(yīng)的解調(diào)算法。*信道特性：信道帶寬、信道的線性失真（如多徑、群延遲失真）程度、信道時延、信道變化速度等。嚴(yán)重失真信道需要自適應(yīng)均衡或RAKE接收。帶寬受限信道影響QAM階數(shù)選擇及解調(diào)復(fù)雜度。*數(shù)據(jù)速率要求：需要高數(shù)據(jù)速率時，傾向于選擇高階調(diào)制（QAM、PSK）及其解調(diào)，犧牲部分抗干擾能力換取帶寬效率。*傳輸距離與距離相關(guān)效應(yīng)：深空長距離傳輸需要考慮時延、低SNR、多徑。近地軌道可能涉及相對高速的多普勒頻移。*干擾環(huán)境：強干擾環(huán)境需要選擇具有良好抗干擾能力的解調(diào)算法（如擴頻通信解調(diào)、跳頻通信解調(diào)）或采用干擾抑制技術(shù)。*實現(xiàn)復(fù)雜度與成本：相干解調(diào)、自適應(yīng)均衡、高階QAM解調(diào)等算法復(fù)雜度較高，硬件成本或計算資源消耗也更大。非相干解調(diào)、BPSK/FSK解調(diào)相對簡單。在資源受限的航天器上，復(fù)雜度往往是關(guān)鍵約束。*調(diào)制方式與解調(diào)匹配：解調(diào)算法必須與采用的調(diào)制方式相匹配。選擇解調(diào)算法時必須知道前端是如何調(diào)制的。*特定任務(wù)需求：如測控通信要求高可靠性，科學(xué)數(shù)據(jù)傳輸可能要求高吞吐量。*舉例說明：*低SNR/